冷水机组在电力电子水冷却系统中的应用研究

现有电力电子设备水冷却系统中，通常使用空气冷却器或冷却塔作为外冷设备，该种设备不适合在常年高温缺水的地区应用。常州博瑞电力自动化设备有限公司的研究人员张辉亮、刘金革，在2021年第1期《电气技术》上撰文，通过对目前换流站中电力电子设备水冷却系统的分析和研究，提出了将冷水机组应用于外冷却系统的新思路，即采用冷水机组直接冷却去离子水。通过实际工程应用，验证了该方案的可行性，为高温缺水地区大功率电力电子阀的冷却提供了技术支持。

目前国内外输配电电力电子阀水冷却系统室外热交换器分为水冷却、空气冷却或两种混合的冷却方式。当采用水冷却方式时，一般采用冷却塔；当采用空气冷却方式时，一般采用空气冷却器。近年来输配电电力电子设备用水冷却系统实际工程应用中，大多采用空气冷却器，也有少量工程应用冷却塔。

然而，使用空气冷却器要求环境温度低于被冷却对象进水温度，当环境温度高于50℃时，会使冷却系统的效率下降，电力电子设备的温度升高，使用寿命降低，从而影响其正常使用；如使用冷却塔则需项目地有充足的水资源。因此，在高温缺水地区，上述的两种冷却方式的应用均受到限制。

因此，需要研究一种水冷系统，能够适应高温缺水地区的应用,满足输配电电力电子设备的冷却要求，并且保证电力电子设备可靠运行。

1  水冷却系统简介

1.1  水冷却系统的工作原理

输配电电力电子设备的冷却系统，一般采用密闭式循环的冷却方式。它包括主循环泵组、热交换器、控制保护系统和管道等组成，其中主水泵组包括主水泵、去离子树脂回路、稳压回路；热交换器一般为空气冷却器、冷却塔等一种或多种设备。其主要工作原理如图1所示。

冷却媒质（纯水或水与防冻液混合物，即去离子水）经主水泵增压后，通过水管道进入热交换器中（空气冷却器或冷却塔），再与室外空气进行热量交换从而达到降低温度的目的，然后流过电力电子设备阀组，带出电力电子设备工作所产生的热量而温度升高，升温后的冷却媒质经过脱气罐回到主水泵入口，形成一个密闭式循环回路，如此连续往复运行。

为保证电力电子设备可靠运行，冷却水需要满足电力电子设备运行的电导率要求。为此，部分冷却媒质需要经过离子交换器，不断地处理系统中的冷却水，使其满足电力电子设备所要求的电导率值。

图1  密闭式水冷却系统工作原理

1.2  空气冷却器

空气冷却器是利用空气来实现热量交换，从而达到降低水温的目的。空气冷却器与冷却塔相比，具有节约水资源、节省维护成本、减少环境破坏和污染等优点。

空气冷却器由穿片管束或套片管束、风扇和电机、配电箱、汇集水管、钢结构和其他附件组成。热冷却媒质在管束内流动，风机带动空气流动并吹过管束，使管束内高温介质得到冷却，实现热量的交换。

空气冷却器被广泛应用在国内、外电力电子设备冷却系统中。选用该设备时，一般被冷却设备的进口水温要高于环境极端温度，以大于5℃为宜，设备散热效果理想并且设备造价经济。因受电力电子设备进水温度和环境温度的制约，当电力电子设备要求的进口温度比环境温度低时，该设备不能使用。

1.3  闭式蒸发冷却塔

闭式蒸发冷却塔近几年在钢铁冶金、电力电子、机械加工、空调系统等行业得到了广泛的应用。闭式冷却塔源自于工业用蒸发式冷却器，是利用自然环境中空气的干湿球温度差以间接蒸发的方式来降低水的温度。

热的冷却媒质在蒸发冷却塔盘管内流过，冷却塔顶部喷淋水均匀流过布置在塔顶的喷淋水管，在喷淋水泵的驱动下喷洒在冷却塔盘管的表面，大气中的冷空气由塔体的进风口流入塔内，并在风机的驱动下形成空气循环，塔内的空冷与喷洒下来的喷淋水呈反方向流过塔体盘管，通过喷淋水吸热和风机的驱动冷却降低盘管中冷却媒质温度。

蒸发冷却塔主要受湿球温度的影响，一般地区湿球温度小于28℃，所以能够保证将电力电子设备入口水温控制在45℃以下，因此水资源丰富的地区闭式冷却塔也被广泛应用。虽然该设备能够满足冷却要求，但是需要消耗大量的水资源，所以在常年缺水地区也不能使用。

2  冷水机组

相变是指物质急剧的变化，例如冰变成水就是一种相变的过程。在现代制冷技术中，相变制冷是利用某种物质相变时的吸热效应，从而达到降低温度的效果。冷水机组就是利用制冷剂（即134a、407c等环保冷媒）的相变实现制冷的常用设备。

本文主要以风冷冷水机组为例来介绍制冷循环过程。冷水机组主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、控制箱、蒸发器、连接管道等部件，构成一个密闭的循环系统。

主要工作原理为：低温低压液态的制冷剂进入蒸发器，吸收被冷却物的热量后变成低温低压气态的制冷剂再进入压缩机，经过压缩机压缩成高温高压气态的制冷剂进入冷凝器，高温高压蒸汽通过冷凝器向大气中释放热，同时制冷剂变成低温高压的液体，最后经过膨胀阀节流后再回到蒸发器中，如此周而复始地循环，从而实现制冷过程。冷水机组工作原理如图2所示。

图2  冷水机组工作原理

3  冷水机组在水冷却系统中的应用

3.1  工程概况

某海外项目需要为电力电子设备提供一套水冷却系统，要求冷却容量150kW，项目最高环境温度为50℃，电力电子设备入口水温要求小于45℃。项目地常年缺水，所以水资源比较匮乏，水的成本较高。受以上条件所限，常规冷却系统空气冷却器和冷却塔均不能应用。

经研究发现，热管制冷技术应用普遍，技术成熟，且在高温环境中可实现制冷，能够满足电力电子设备冷却要求。经过对比150kW同换热容量下空冷器、冷却塔和冷水机组的电源损耗和成本，发现冷水机组的电源损耗和成本相比其他两种设备较高，电源损耗和成本对比见表1。

表1  电源损耗和成本对比

尽管冷水机组损耗和成本较高，但是制冷能够满足电力电子设备冷却要求，该设备可提供更低的进水温度，相比其他两种冷却设备制冷效果好，同时也可提高电力电子设备的使用寿命。其次因为工程实际受高温和缺水条件限制，因此该工程只能选用冷水机组。

通过工程应用实例，专门设计了一种使用冷水机组直接冷却去离子水的密闭式水冷系统，并申请了专利（专利号：201821638338.X），经工程实施验证，可以满足电力电子设备运行要求。

3.2  冷水机组设计

经设计，该项目将冷水机组串联于主循环泵和被冷却电力电子设备之间，电力电子设备产生的热量传递给水，通过主循环泵提升，进入冷水机组，经过冷水机组冷却后的水再回到电力电子设备，形成密闭式循环，周而复始运行。冷却系统用冷水机组示意图如图3所示。

图3  冷却系统用冷水机组示意图

在设计中，将冷水机组串联于主循环泵和被冷却电力电子设备之间，电力电子设备产生的热量经由主循环泵组将冷冻水传递到冷水机组的蒸发器，然后蒸发器通过制冷剂（即134a环保冷媒），制冷剂将热量传递给冷水机组中的冷凝器，最终由冷凝器将热量传递至大气中。

我国暖通专业工程设计界目前普遍采用冷却水进出口温度为32～37℃。电力电子设备入口水温一般要求小于45℃。根据项目环境50℃运行要求，总设计制冷量为150kW。经设计选用3台50kW压缩机，每台压缩机可以独立控制。

根据相关的设计标准和部件的选型要求，选用R134a作为制冷剂，它属于中温制冷剂；冷水机组的蒸发温度范围为15～ 20℃，冷凝温度为65℃，冷冻水出口水温度≤32℃，冷冻水入口水温度≤38℃。

3.3  制冷试验

为了验证冷水机组的实际制冷效果，试验通过模拟不同环境温度和不同制冷容量条件下，测量冷水机组冷冻水出口水温（也即内冷却系统中进入电力电子设备的入口水温）来进行判断。

试验时，将冷水机组放置在密闭的气候试验室内，室内装有环境温度传感器，可以实时监测室内的空气温度。用电加热器来模拟电力电子设备的发热，提高循环被冷却水的温度。在冷水机组蒸发器被冷却水侧入口和出口分别安装有温度传感器，监测入口和出口的水温。测试系统回路图如图4所示。

图4  测试系统回路图

改变室内的环境温度，并开启对应编号的压缩机，记录环境温度、出口水温、入口水温的测试数据。最后调节实验室内环境温度，将环境温度升高到50℃以上，同时开启3台压缩机，记录相关的测试数据。测试数据见表2。

通过对试验数据分析可以得到，在环境平均温度50.3℃、发热量150.1 kW时，冷水机组冷冻水的出口平均温度为30.5℃，进口平均温度为36.7℃，均小于设计要求的32℃和38℃，从而证明该冷水机组达到了设计的制冷要求，满足电力电子设备的入口温度要求。此外，试验也从侧面分别对3台压缩机的工作性能进行了验证。

表2  冷水机组制冷测试数据

4  结论

冷水机组技术作为一种高效的制冷方式，其在空调制冷行业应用十分普遍，技术也比较成熟，但在国内外换流站电力电子设备水冷却系统中却未见有相关的报道或应用。

本文通过对常年高温缺水地区换流站电力电子设备外冷却系统的研究，首次提出了将冷水机组直接应用在换流站电力电子设备用水冷却系统中的新思路，即采用冷水机组直接冷却去离子水，并以实际工程为应用案例，试验证明了该方案的可行性，为高温缺水地区的冷却应用提供了技术支持和方案，具有一定的市场应用价值，对推动电力电子设备冷却技术的发展也有一定的借鉴意义。

值得注意的是，该冷水机组制冷时压缩机需要消耗一定的电能，相比空气冷却器和冷却塔来说能耗可能会增加。在实际工程应用中，需要综合考虑环境温度、水资源条件、电力电子设备进水温度等因素，合理选择适用的冷却设备。